Почва кишит миллиардами скрытых микробов. Исследователи начали изучать, как эти организмы меняют мир. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Закрывать
Джанет Янссон впервые задумалась о необъятной вселенной подземной жизни, будучи студенткой Университета штата Нью-Мексико в конце 1970-х годов. В небольшом количестве почвы содержится около 10 миллиардов бактерий, но в то время учёные-геологи знали очень мало об этих микробах и их функциях. Позже, будучи молодым специалистом по микробной экологии в Стокгольмском университете в Швеции, она начала каталогизировать микроорганизмы, собранные во время экспедиций по отбору проб почвы, расшифровывая их генетический код, чтобы понять как их внутреннее устройство, так и их место в подземной среде обитания.
Однако по мере раскопок Янссон постоянно сталкивалась с проблемой. Основной метод, использовавшийся тогда для амплификации и анализа фрагментов ДНК, был недостаточно мощным, чтобы раскрыть все особенности функционирования одного микроорганизма, не говоря уже о целом их сообществе. «Можно было получить информацию о конкретных генах, но технологии секвенирования были очень медленными», — сказала Янссон, ныне заведующая отделом биологических наук в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) в Ричленде, штат Вашингтон. Она знала, что изучаемые ею слои осадочных пород содержат настоящий кладезь биологических находок, но у неё пока не было инструментов, необходимых для их извлечения.
Затем, вскоре после начала века, новые высокопроизводительные методы секвенирования ДНК позволили практически мгновенно секвенировать тысячи и даже миллионы генов. Эти новые, более быстрые методы позволили исследователям впервые легко секвенировать коллективные геномы образца, известные как метагеном. Внезапно появилась возможность сканировать общий состав таких разнообразных местообитаний, как застойные болота и мерзлая тундра, создавая детальную картину микробной жизни, которую они содержали. Последовательности генов и белков, полученные в результате этих широкомасштабных сканирований — первых в своем роде — после расшифровки прольют свет на то, чем на самом деле занимаются микробы в каждой экосистеме. Эти данные помогут исследователям понять, как микробы захватывают и хранят углекислый газ из атмосферы, как они расщепляют органические вещества, чтобы растения могли получать доступ к питательным веществам, и как они нейтрализуют почвенные токсины, которые, как известно, представляют угрозу для здоровья человека. «Можно просто секвенировать всё», — сказал Янссон. «Именно здесь метагеномный подход действительно оказался преимуществом».
Почти всё в нынешнем окружении Янссон масштабное и впечатляющее: 600 акров кампуса PNNL, усеянного платанами, раскинувшегося на востоке Вашингтона, бескрайнее синее небо, которое она видит через панорамное окно, секвенатор генов размером с холодильник, куда её команда помещает образцы почвы. Но, как всегда, Янссон движет притягательность микроскопического и невидимого — задача картирования состава почвенного микробиома, бурно развивающегося мирового сообщества, функции которого до сих пор до конца не изучены. «Почва, — сказала Янссон, ухмыляясь, — это невероятно сложная система».
Подземная прерия
Когда метагеномика начала открывать почвоведам совершенно новый мир подземных биоресурсов, Янссон столкнулась с новыми вызовами. Масштаб этой новой области, которую она помогла создать, был огромен: в одной чайной ложке почвы могут содержаться десятки тысяч видов, а во всем мире, возможно, существуют миллионы еще не открытых видов. Чтобы справиться с ошеломляющей задачей понимания их функций, в 2010 году она основала совместный проект под названием «Проект микробиома Земли» совместно с Робом Найтом из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Джеком Гилбертом из Аргоннской национальной лаборатории в Аргонне, штат Иллинойс. Цель проекта – каталогизировать 200 000 образцов, богатых микробами, из разных уголков мира. (По состоянию на прошлый год было проанализировано более 30 000 образцов.) Но Янссон также понимала, что для действительно глубокого исследования ей необходимо сузить головокружительный спектр исследовательских возможностей до нескольких, которые она сможет реализовать в течение всей жизни.
Для начала она и её команда приступили к изучению прерийных почв, преобладающих в большей части центральной части Америки. Тысячи почвенных микробов, обитающих вокруг корней злаковых трав, помогают Великим прериям Среднего Запада накапливать больше углерода, чем любому другому региону континентальной части США. Вырабатывая белки, которые разрезают и рекомбинируют молекулы углекислого газа, эти микробы работают в тандеме с травами, чтобы улавливать атмосферный углекислый газ и превращать его в твёрдую, богатую углеродом биологическую материю, которая хранится под землёй. Это огромное благо для человечества, поскольку чем больше углекислого газа может поглотить ландшафт, тем меньше его останется в виде парникового газа, способствующего планетарному потеплению.
Но поскольку более 90% всех почвенных бактерий невозможно вырастить в лабораторных условиях, исследователи долгое время не могли точно определить, как именно они участвуют в круговороте углерода. Метагеномный анализ этих прерийных микробов, по мнению Янссона, поможет выявить степень их участия в хранении углерода и выяснить, меняют ли эту роль осадки и возделывание земель человеком.
Команда Янссона рассредоточилась по центральной трети страны, чтобы найти новые микробные образцы. На полевых участках в Айове, Канзасе и Висконсине они отбирали образцы почвы с помощью инструментов, называемых кернерами, — полых трубок длиной около 30 см, предназначенных для пробивания почвы. Когда кернер поднимается, он извлекает образец в форме бревна со всеми его слоями — и, в идеале, с его микроорганизмами — нетронутыми. Затем этот кусок почвы помещают на сухой лед и отправляют обратно в лабораторию. Там специалисты секвенируют ДНК и РНК образца.
После завершения этого процесса учёные проекта получают хорошее представление о том, какие микробные гены содержатся в каждом образце и какие биологические функции выполняют эти микробы. Если образец почвы содержит бактериальные гены, которые производят ферменты, используемые для преобразования углекислого газа из атмосферы в твёрдый углерод, и эти гены активны, исследователи могут сделать вывод, что микробы в образце активно запасают углерод.
На каждом участке исследовательская группа отбирала образцы местной, нетронутой прерийной почвы, а также почвы, которая обрабатывалась в течение многих лет. Секвенирование образцов показало, что в почве местной прерии содержался другой состав микробов, чем в обрабатываемой почве, что отчасти может быть связано с удобрениями, используемыми в сельском хозяйстве. «Когда мы проанализировали эти сравнения, мы обнаружили выраженные микробные сигнатуры, почти как биомаркеры обработки», — сказала Янссон. Она предполагает, что существуют различия в том, как микробы хранят углерод в местной и обрабатываемой почве, и планирует изучить эту тему подробнее в будущих исследованиях.
Замерзшая тундра
Тем временем Янссон и её команда также изучали почвы Арктики, одного из самых быстро меняющихся климатов в мире. Янссон давно интересовалась тем, как эти быстрые изменения температуры влияют на подземное микробное сообщество, и имеют ли эти изменения какие-либо неожиданные побочные эффекты. «В вечной мерзлоте заперто так много органического углерода, — сказала она, — и мы действительно не знаем, что произойдёт с потеплением климата». В начале своей работы Янссон подозревала, что тенденции потепления могут активировать бактериальные процессы, которые расщепляют накопленный углерод, высвобождая его в атмосферу и подпитывая изменение климата. Но поскольку она не знала наверняка, она решила изучить, как состав микробного сообщества варьируется в трёх различных типах рельефа Аляски: промёрзшая вечная мерзлота, поверхностная почва, которая замерзает и оттаивает в зависимости от смены времён года, и относительно тёплая, переувлажнённая болотная почва.
Как она и предполагала, Янссон обнаружила существенные различия между микробными сообществами в этих местах. В целом, в образцах вечной мерзлоты было мало генов и белков. Но в замерзающем и оттаивающем слое почвы секвенирование показало, что бактерии в образцах почвы производили некоторые интересные белки, в том числе ферменты, которые разрезают длинные цепочки углеродных молекул, такие как целлюлоза из растений, на более короткие и простые соединения сахаров, которые бактерии могут использовать в качестве топлива. Когда это происходит, ранее «заблокированный» углерод высвобождается обратно в атмосферу. «Когда [почва] оттаивает», — сказала Янссон, — «она начинает больше переходить в разложение». Другими словами, в более теплых почвах процессы бактериального разложения углерода начинают четко проявляться в данных секвенирования. Таким образом, как и опасались некоторые наблюдатели, потепление может высвобождать ранее инертный углерод из почвы. Это повышает тревожную перспективу неуправляемого высвобождения углерода по мере дальнейшего повышения температуры.
Самое поразительное, что в самом тёплом образце почвы в исследовании Янссон — губчатой болотной почве — был обнаружен целый ряд микробных генов и белков, участвующих в образовании метана, парникового газа, более чем в 20 раз более мощного, чем углекислый газ. Одним из таких белков была метилкоэнзим М-редуктаза, участвующая в превращении углекислого газа в метан. Это открытие может означать, что тенденции к потеплению заставят местные микробы производить больше метана. Далее Янссон планирует исследовать, влияют ли быстрые оттепели на популяции почвенных микробов иначе, чем более постепенные, поскольку оба явления, вероятно, станут обычным явлением по мере потепления планеты.
Бактериальный терруар
Почвенные микробы — это не просто переработчики углерода, как показывает работа коллег Янссона. Обширные микробные сообщества под ногами не только влияют на качество воздуха и глобальную температуру, но и на вкус и качество продуктов питания, которые мы выращиваем. Томас Митчелл-Олдс из Университета Дьюка хотел выяснить, могут ли микробные популяции внутри и вокруг корней растений влиять на то, как растения созреют. Он и его студентка Мэгги Вагнер взяли образцы почвы из четырех разных мест сбора в сельской местности Айдахо и выделили микробы из каждого образца. Затем они инокулировали горшки с землей этими четырьмя микробными образцами и высадили в них распространенный штамм горчицы Boechera stricta. Команда обнаружила, что определенные типы микробов в почве, по-видимому, ускоряют время цветения растений, в то время как другие, такие как представители типа Proteobacteria, замедляют его.
Исследование подчеркнуло, насколько важна микробная активность для здоровья и продуктивности растений. «Почвенные микробы уже были связаны с засухоустойчивостью, скоростью роста и другими аспектами продуктивности растений. В нашем эксперименте к этому списку добавилось время цветения», — сказал Митчелл-Олдс. «Потенциал почвенных микробов корректировать время цветения — будь то для повышения урожайности, защиты от изменения климата или и того, и другого — интригует». Такая перспектива может заинтересовать не только фермеров, стремящихся увеличить свой урожай, но и, скажем, виноделов в долине Напа в Калифорнии, которые знают, насколько сильно время цветения может повлиять на развитие винограда и вкус получаемого вина. Знаменитый терруар таких мест, как Напа, на самом деле, может возникнуть из-за тысяч микробов, жужжащих в невидимой гармонии.
Другие исследования секвенирования продемонстрировали важнейшую роль почвенных микробов в разложении загрязняющих веществ. Когда учёные из Делийского университета в Индии взяли образцы почвы со свалки пестицидов и сравнили их с образцами с более чистого контрольного участка, они обнаружили, что почва со свалки содержала более высокую концентрацию генных последовательностей определённых групп бактерий, таких как Pseudomonas, Novosphingobium и Sphingomonas, которые, как известно, разлагают распространённые пестициды, такие как гексахлорциклогексан. Микробы, по-видимому, могут адаптироваться, помогая восстановлению загрязнённых ландшафтов, что открывает захватывающую возможность использования этих микробов в биоремедиации. «Почвы служат буфером против всевозможных повреждений нашей экосистемы», — сказала Ванесса Бейли, микробиолог, тесно сотрудничающая с Янссон в PNNL.
Исследователи, работающие над проектом «Великие прерии», сумели собрать около 1,8 триллиона оснований ДНК, но Янссон считает, что эти данные описывают лишь малую часть микробных сообществ прерийной почвы, учитывая, что в ней содержится от 1 до 10 миллиардов отдельных клеток на грамм. «Мы всё ещё находимся на этапе открытий», — сказала она. «Нам ещё многое предстоит сделать, чтобы собрать метагеном почвы». Она и другие учёные пробуют различные методы оптимизации процесса генного анализа, например, отбрасывая менее распространённые последовательности генов в конкретном образце, чтобы сосредоточиться на более распространённых.
Чем больше Янссон и её коллеги смогут узнать о ранее неизвестных сообществах микробов, тем лучше они смогут предсказать, как эти сообщества будут реагировать на различные условия — засухи, потепление или наводнения, и это лишь начало списка. Они надеются встроить эти прогнозы в компьютерные модели, которые будут иллюстрировать, какую микробную активность может вызвать данное изменение окружающей среды, а также ожидаемые результаты этой активности. Такие модели могли бы помочь специалистам по экологическому планированию выращивать микробные смеси, которые достигают желаемого результата — например, почвы, которая может задерживать гигатонны атмосферного углерода, или которая легко очищается от загрязнений, или которая даёт те сорта винограда, о которых мечтают виноделы. «Зная микробы, которые присутствуют в лучшем случае, — сказала Янссон, — можно настроить систему для оптимизации этой комбинации микробов».
Но достижение правильного микробного баланса не всегда так просто, как инокуляция почвы определенными штаммами бактерий. «Если условия благоприятны для микробов, которые вы хотите вырастить, они будут процветать», — сказал Янссон. «Если вы посеете, а условия неблагоприятны, они просто умрут». Таким образом, идеальным подходом часто будет создание такого ландшафта, к которому естественным образом будут стекаться полезные микробы. В потеплевших регионах, которые с каждым годом становятся все более заболоченными, это может означать обеспечение достаточного количества богатой кислородом движущейся воды, что сделает территорию менее гостеприимной для анаэробных микробов, которые выделяют большое количество метана. В возделываемых районах Великой прерии фермеры могут выбирать удобрения, которые сохраняют естественное микробное разнообразие, что дает обильный урожай продовольственных культур и максимизирует улавливание углерода из атмосферы.
Тем не менее, подобные открытия даются постепенно и с трудом, и Янссон знает, что будущим учёным придётся заняться изучением всех механизмов влияния почвенных микробов на остальную планету. Сейчас Янссон наслаждается ролью почвенного геодезиста, картографируя разнообразие и широту микробных сообществ, чтобы другие когда-нибудь могли воспользоваться этими знаниями. «Мы знаем больше о движении небесных тел, — размышлял однажды Леонардо да Винчи, — чем о почве под ногами». Более 500 лет спустя Янссон хочет стать учёным, который наконец докажет его неправоту.
Эта статья была перепечатана на ScientificAmerican.com.
Источник: www.quantamagazine.org
